綜合動(dòng)力站房節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)用

朱進(jìn)平

（中國(guó)電子系統(tǒng)工程第二建設(shè)有限公司，江蘇 無(wú)錫214000）

集成電路凈化廠房因?yàn)槟芎母邆涫荜P(guān)注，據(jù)半導(dǎo)體廠務(wù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，綜合動(dòng)力站動(dòng)力設(shè)備能耗占廠房耗電能耗的50%。綜合動(dòng)力站房合理的節(jié)能設(shè)計(jì)對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的降低可從源頭上進(jìn)行控制。

綜合動(dòng)力站有大型冰機(jī)、空壓設(shè)備、水泵等高能耗設(shè)備，對(duì)廠房溫濕度要求嚴(yán)格，要求小溫差，大風(fēng)量送風(fēng)。全空氣空調(diào)系統(tǒng)采用溫濕度獨(dú)立控制方式，常采用全新風(fēng)機(jī)組+干盤(pán)管形式。MAU 為了穩(wěn)定的溫濕度，常采用冷、熱量抵消的方式，控制溫濕度。冰機(jī)熱回收可以提供穩(wěn)定的熱源，一次泵和二次泵系統(tǒng)的合理利用，可以控制水泵的輸送能耗。冷卻塔供冷技術(shù)的應(yīng)用，可以在過(guò)渡季節(jié)減少冰機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，節(jié)約冰機(jī)的能耗。

本文從冰機(jī)熱回收技術(shù)、一次泵和二次泵系統(tǒng)合理應(yīng)用、冷卻塔供冷技術(shù)三個(gè)方面淺談綜合動(dòng)力站常用的節(jié)能設(shè)計(jì)。

1 冰機(jī)熱回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

綜合動(dòng)力站中單冷型冰機(jī)，蒸發(fā)器可以提供冰水，冷凝器釋放的熱量一般是通過(guò)冷卻塔排放到空氣中，造成了熱污染。而熱回收機(jī)組在蒸發(fā)器供冷的同時(shí)，冷凝器的冷凝熱可以回收利用，通過(guò)閉式循環(huán)為MAU 提供熱水，提高了空調(diào)機(jī)組出風(fēng)的相對(duì)濕度，對(duì)潔凈廠房溫濕度精度控制有益。冷凝器多余的熱量可以通過(guò)冷卻塔散熱排放到大氣中。熱回收機(jī)組的熱回收量，理論上是冰機(jī)制冷量與壓縮機(jī)作功量的總和。此部分熱量如果全部合理利用起來(lái)，對(duì)廠房的電費(fèi)運(yùn)行也相當(dāng)可觀。既減少對(duì)環(huán)境產(chǎn)生熱污染，也減少冷卻塔運(yùn)行費(fèi)用和噪聲。因此設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

（1）熱回收機(jī)組的熱回收量，理論上是冰機(jī)制冷量與壓縮機(jī)作功量的總和，在未滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，熱回收量隨冰機(jī)的制冷量減少而降低。

（2）由于熱回收冷水機(jī)組主要是制冷，而熱回收的熱量?jī)H僅是其制冷中的副屬產(chǎn)品，同時(shí)熱水溫度過(guò)高也會(huì)對(duì)冰機(jī)的制冷效率產(chǎn)生影響，甚至影響冰機(jī)的不穩(wěn)定運(yùn)行，一般是通過(guò)輔助熱源來(lái)進(jìn)一步提高熱水或熱風(fēng)溫度。

（3）設(shè)計(jì)時(shí)宜采用控制熱水的回水溫度方式來(lái)控制熱量。熱回收機(jī)組運(yùn)行必須有足夠的基本冷負(fù)荷，通常將熱回收機(jī)組與其他的單冷機(jī)組組合起來(lái)。熱回收可分為顯熱回收和全熱回收。

表1 熱回收機(jī)組顯熱和全熱的性能比較表

熱回收冷水機(jī)組常規(guī)流程圖如圖1。

圖1 熱回收冷水機(jī)組常規(guī)流程圖

工藝流程：

（1）當(dāng)供熱時(shí)，首先設(shè)定進(jìn)入熱回收冷凝器的水溫T2，再開(kāi)啟與熱回收冷凝器相連接的泵P2。

（2）當(dāng)T2 的監(jiān)測(cè)值小于設(shè)定值時(shí)，說(shuō)明熱回收熱量不夠，則需要關(guān)閉與標(biāo)準(zhǔn)冷凝器相連的水泵P1 和三通閥V1，使冷卻水不流經(jīng)冷卻塔，壓縮機(jī)全部向熱回收冷凝器放熱，使T2 的監(jiān)測(cè)值提高，并不斷接近于T2。

（3）當(dāng)T2 的監(jiān)測(cè)值大于設(shè)定值時(shí)，表明供熱過(guò)剩，此時(shí)需要開(kāi)啟與標(biāo)準(zhǔn)冷凝器相連的水泵P1，并打開(kāi)三通閥V1，使流經(jīng)冷卻塔的冷卻水流回標(biāo)準(zhǔn)冷凝器，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻塔中風(fēng)扇啟停的個(gè)數(shù)和轉(zhuǎn)數(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)對(duì)上述2 個(gè)冷凝器的放熱比例，從而使T2 的監(jiān)測(cè)值降低，不斷接近于設(shè)定值。

（4）可通過(guò)調(diào)節(jié)輔助加熱器的加熱量，使進(jìn)水溫度T1 穩(wěn)定在設(shè)定值。

（5）當(dāng)無(wú)供熱需求時(shí)，則直接利用冷卻塔散熱，與熱回收冷凝器相連的水泵P2 關(guān)閉。

2 一次泵和二次泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用

一次泵系統(tǒng)也稱(chēng)一次循環(huán)，冰機(jī)、水泵、冷卻塔為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；一次循環(huán)亦可分為定流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)，但定流量一次泵系統(tǒng)不節(jié)能，一般用在樓層較低的項(xiàng)目。

圖2 一次泵定流量系統(tǒng)

由于空調(diào)系統(tǒng)大部分時(shí)間不滿負(fù)荷運(yùn)行，此時(shí)我們需要保證用戶的用冷量，2 臺(tái)機(jī)組（制冷量為51%～100%設(shè)計(jì)負(fù)荷）或1 臺(tái)機(jī)組（制冷量為10%～50%設(shè)計(jì)負(fù)荷）及其相對(duì)應(yīng)的水泵都必須處于開(kāi)啟狀態(tài)，而在末端負(fù)荷低于設(shè)計(jì)負(fù)荷或設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%時(shí)，水泵流量將大于末端流量。此時(shí)會(huì)存在幾個(gè)缺點(diǎn)：（1）浪費(fèi)能量；（2）由于水流量不變，供回水溫差變小，末端除濕能力降低；（3）由于各末端設(shè)備負(fù)荷的減少與機(jī)組總負(fù)荷減少并不同步，會(huì)造成末端設(shè)備負(fù)荷需求大的房間，供冷（熱）量小，不滿足需求，末端設(shè)備負(fù)荷需求小的房間，供冷（熱）量大，造成熱力不均。（4）關(guān)閉一臺(tái)泵后，管網(wǎng)曲線不變，水泵流量為Qc，大于并聯(lián)運(yùn)行時(shí)流量Qb,水泵超流量運(yùn)行，運(yùn)行水泵過(guò)載。因此該系統(tǒng)只能用于1 臺(tái)冷水機(jī)組和水泵的小型工程。（III- 管網(wǎng)特性曲線，II-2 臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行曲線，I- 單臺(tái)泵運(yùn)行曲線；A-2 臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行點(diǎn)，B-2 臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)單臺(tái)泵狀態(tài)點(diǎn)，C- 單臺(tái)泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)狀態(tài)點(diǎn)）。

一次泵變流量系統(tǒng)，分為一級(jí)泵壓差旁通控制變流量系統(tǒng)和一級(jí)泵變頻變流量系統(tǒng)。一級(jí)泵壓差旁通控制變流量系統(tǒng)，通過(guò)壓差旁通管道實(shí)現(xiàn)機(jī)房側(cè)定流量，而用戶側(cè)則通過(guò)安裝電動(dòng)二通閥實(shí)現(xiàn)變流量，主機(jī)和一次水泵為定流量運(yùn)行，節(jié)能是通過(guò)用戶一側(cè)的流量變化，它由自控系統(tǒng)調(diào)節(jié)主機(jī)和水泵運(yùn)行的臺(tái)數(shù)實(shí)現(xiàn)的（圖4，5）。

根據(jù)室內(nèi)負(fù)荷變化，調(diào)節(jié)進(jìn)入AHU 的水流量。當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷小于設(shè)計(jì)負(fù)荷或設(shè)計(jì)負(fù)荷的50%時(shí)，AHU 流量減小，供回水壓差變大，當(dāng)大于設(shè)定值時(shí)，旁通閥打開(kāi)，部分水流量由旁通管道直接回到機(jī)組。顯然，水系統(tǒng)阻力增大使得水泵流量減少，減少的幅度取決于水泵自身的性能曲線。減少幅度越大，越節(jié)能。

圖4 一次泵壓差旁通控制變流量系統(tǒng)圖

一級(jí)泵變頻變流量系統(tǒng)：通過(guò)變頻器調(diào)速改變冷水泵的轉(zhuǎn)速，以減少冷水量的供應(yīng)，使冷水泵能耗降低。就現(xiàn)階段的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，冷水機(jī)組內(nèi)部流量的變化仍有一定的范圍（并且對(duì)流量變化的速率有要求），一般冷水機(jī)組的最小允許流量為額定流量的50%～70%左右，冷水泵的最低運(yùn)行頻率應(yīng)該加以限制，為了確保冷水機(jī)組能在最小流量下安全運(yùn)行，管路中的壓差旁通控制閥仍然需要設(shè)置。

二級(jí)泵系統(tǒng)：系統(tǒng)作用半徑較大，設(shè)計(jì)水流阻力較高的大型工程，空調(diào)冷水宜采用變流量二級(jí)泵。在負(fù)荷側(cè)管路中設(shè)置若干臺(tái)并聯(lián)的循環(huán)泵，冷源側(cè)設(shè)置若干臺(tái)并聯(lián)的一次泵和冰機(jī)及平衡管。負(fù)荷側(cè)二次泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)常采用壓差旁通控制，而供回水管上的壓差控制器則控制二次泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。水泵變速宜根據(jù)系統(tǒng)壓差變化進(jìn)行控制，系統(tǒng)壓差監(jiān)測(cè)點(diǎn)宜設(shè)在最不利環(huán)路的干管靠近末端處。設(shè)定一個(gè)供回水壓力波動(dòng)范圍ΔP，當(dāng)需求端負(fù)荷變化時(shí)，引起二次管網(wǎng)流量變化，供回水壓差ΔP 也隨之改變，當(dāng)大于設(shè)定的上限值時(shí)，減少二次泵的頻率直至停開(kāi)一臺(tái)泵；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定下限值時(shí)，增加二次泵的頻率直至開(kāi)啟一臺(tái)泵；冷源側(cè)一次泵的臺(tái)數(shù)控制采用負(fù)荷控制法。通過(guò)檢測(cè)二次側(cè)供回水主管上的溫差和流量得到需要的冷量。當(dāng)需冷量減少相當(dāng)于1 臺(tái)冰機(jī)的冷量，停一臺(tái)一次水泵及相應(yīng)的冰機(jī)；當(dāng)需冷量增大到等于一臺(tái)冰機(jī)的冷量時(shí)，開(kāi)啟一臺(tái)冷水機(jī)組及相應(yīng)的水泵。二級(jí)泵設(shè)計(jì)尤其注意，由于1 次泵和2 次泵屬于串聯(lián)關(guān)系，1 次泵和2 次泵的揚(yáng)程務(wù)必精確計(jì)算，確保平衡管供、回兩端壓力差為零壓差。

圖6 二次泵變流量系統(tǒng)流程圖

3 冷卻塔供冷技術(shù)的應(yīng)用

對(duì)于在冬季也需提供空調(diào)冷水的建筑，可以考慮利用冷卻塔換熱直接提供空調(diào)冷水，這樣可減少冷水機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，以此獲取較好的節(jié)能效果。

但在具體的應(yīng)用中，需注意以下幾點(diǎn)：

（1）冷卻塔的防凍要求：在冬季室外易結(jié)冰的地區(qū)，對(duì)于冷卻塔及室外的冷卻水管，必須考慮防凍的措施。

（2）合理確定供水參數(shù)和選擇冷卻塔。從目前的設(shè)備情況來(lái)看，一般認(rèn)為在低溫狀態(tài)下，冷卻塔出水溫度比濕球溫度高2-3 ℃，對(duì)于室內(nèi)末端設(shè)備，如果按照夏季空調(diào)冷水溫度（7/12℃）選擇的末端設(shè)備，在利用冷卻塔冬季供冷時(shí)，如果要求末端設(shè)備的供冷能力相同，室外空氣的濕球溫度必須在4-5℃時(shí)才能做到。如果冬季末端要求的供冷能力小于夏季，則應(yīng)對(duì)末端設(shè)備在冬季供冷量要求條件下復(fù)核冷水供水溫度，從而確定室外濕球溫度。對(duì)于開(kāi)式冷卻塔，為了防止過(guò)多的雜質(zhì)進(jìn)入空調(diào)水系統(tǒng)之中，通常設(shè)備熱交換器，水系統(tǒng)還存在1-2℃的換熱溫差損失也應(yīng)該考慮。

圖7 冷卻塔供冷技術(shù)的應(yīng)用

案例應(yīng)用：

某半導(dǎo)體項(xiàng)目，綜合動(dòng)力站應(yīng)用冰機(jī)熱回收技術(shù)。冰機(jī)熱回收冷凝器出來(lái)的熱水經(jīng)過(guò)溫水循環(huán)泵為MAU 再熱段提供熱源。冰機(jī)采用約克螺桿機(jī)，5-12℃系統(tǒng)采用1 臺(tái)熱回收+2 臺(tái)單冷冰機(jī)（1100RT），12-20℃系統(tǒng)采用4 臺(tái)熱回收+4 臺(tái)高溫冷水冰機(jī)（1600RT）,夏季運(yùn)行時(shí)，車(chē)間空調(diào)制冷負(fù)荷需求量大，熱回收顯熱回收量多，回收的熱量能夠持續(xù)提供36-37℃的熱水，作為MAU 的加熱源，再熱經(jīng)過(guò)表冷器后的空氣；冬季溫度降低，車(chē)間冷負(fù)荷需求少，冰機(jī)冷負(fù)荷減少，熱回收熱量減少，回收的熱量?jī)H能提供20-25℃的溫水，此時(shí)啟動(dòng)鍋爐作為補(bǔ)充熱源，給溫水加熱，可以滿足MAU 冬季再熱需求。此熱回收極大地降低了鍋爐熱負(fù)荷的用量，基本實(shí)現(xiàn)了MAU 再熱段的正常運(yùn)行，減少了鍋爐熱源的投入使用時(shí)間，節(jié)省了運(yùn)行費(fèi)用。